Jennifer Chu | MIT
Les ingénieurs du MIT ont mis au point une technique permettant de faire croître et de décoller des « peaux » ultrafines de matériaux électroniques. Cette méthode pourrait ouvrir la voie à de nouvelles catégories de dispositifs électroniques, tels que des capteurs ultraminces à porter sur soi, des transistors et des éléments informatiques flexibles, ainsi que des dispositifs d’imagerie très sensibles et compacts.
À titre de démonstration, l’équipe a fabriqué une fine membrane de matériau pyroélectrique – une catégorie de matériau de détection de la chaleur qui produit un courant électrique en réponse à des changements de température. Plus le matériau pyroélectrique est fin, plus il est capable de détecter des variations thermiques subtiles.
Grâce à sa nouvelle méthode, l’équipe a fabriqué la membrane pyroélectrique la plus fine à ce jour, d’une épaisseur de 10 nanomètres, et a démontré que le film est très sensible à la chaleur et au rayonnement dans le spectre de l’infrarouge lointain.
Le nouveau film pourrait permettre de créer des dispositifs de détection dans l’infrarouge lointain (IR) plus légers, plus portables et très précis, avec des applications potentielles pour les lunettes de vision nocturne et la conduite autonome dans des conditions brumeuses. Les capteurs infrarouges lointains actuels, à la pointe de la technologie, nécessitent des éléments de refroidissement encombrants. En revanche, la nouvelle couche mince pyroélectrique ne nécessite aucun refroidissement et est sensible à des variations de température beaucoup plus faibles. Les chercheurs étudient les moyens d’incorporer le film dans des lunettes de vision nocturne plus légères et plus précises.
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Le film détecteur de chaleur pourrait également trouver des applications dans la détection environnementale et biologique, ainsi que dans l’imagerie des phénomènes astrophysiques qui émettent des rayonnements infrarouges lointains.
De plus, la nouvelle technique de décollage peut être généralisée au-delà des matériaux pyroélectriques. Les chercheurs prévoient d’appliquer cette méthode à la fabrication d’autres films semi-conducteurs ultraminces et très performants.
Leurs résultats sont présentés aujourd’hui dans un article publié dans la revue Nature. Les coauteurs de l’étude au MIT sont Xinyuan Zhang, Sangho Lee, Min-Kyu Song, Haihui Lan, Jun Min Suh, Jung-El Ryu, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han et Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique et de science et génie des matériaux, ainsi que des chercheurs de l’université du Wisconsin à Madison dirigés par le professeur Chang-Beom Eom et des auteurs de plusieurs autres institutions.
Peau chimique
Le groupe de Kim au MIT trouve de nouveaux moyens de fabriquer des composants électroniques plus petits, plus fins et plus souples. Ils envisagent d’intégrer ces « peaux » informatiques ultrafines dans tous les domaines, des lentilles de contact intelligentes aux tissus de détection portables, en passant par les cellules solaires extensibles et les écrans pliables. Pour réaliser de tels dispositifs, Kim et ses collègues ont expérimenté des méthodes de croissance, de pelage et d’empilage d’éléments semi-conducteurs, afin de fabriquer des membranes électroniques ultrafines et multifonctionnelles en couches minces.
L’une des méthodes mises au point par Kim est l’« épitaxie à distance », une technique qui consiste à faire croître des matériaux semi-conducteurs sur un substrat monocristallin, en intercalant une couche ultramince de graphène. La structure cristalline du substrat sert d’échafaudage sur lequel le nouveau matériau peut se développer. Le graphène agit comme une couche antiadhésive, semblable au Téflon, ce qui permet aux chercheurs de décoller facilement le nouveau film et de le transférer sur des dispositifs électroniques souples et empilés. Après avoir retiré le nouveau film, le substrat sous-jacent peut être réutilisé pour fabriquer d’autres films minces.
Kim a appliqué l’épitaxie à distance pour fabriquer des couches minces aux caractéristiques variées. En essayant différentes combinaisons d’éléments semi-conducteurs, les chercheurs ont remarqué qu’un certain matériau pyroélectrique, appelé PMN-PT, n’avait pas besoin d’une couche intermédiaire pour se séparer de son substrat. En cultivant le PMN-PT directement sur un substrat monocristallin, les chercheurs ont pu retirer le film cultivé sans déchirer son réseau délicat.
« Cela a fonctionné étonnamment bien », explique Zhang. « Nous avons constaté que le film décollé était lisse comme l’éclair. »
Décollage du treillis
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs du MIT et de l’UW Madison ont examiné de plus près le processus et ont découvert que la clé de la propriété de pelage du matériau était le plomb. Dans le cadre de sa structure chimique, l’équipe et ses collègues de l’Institut polytechnique de Rensselaer ont découvert que le film pyroélectrique contient un arrangement ordonné d’atomes de plomb qui ont une grande « affinité électronique », ce qui signifie que le plomb attire les électrons et empêche les porteurs de charge de se déplacer et de se connecter à d’autres matériaux tels qu’un substrat sous-jacent. Le plomb agit comme de minuscules unités antiadhésives, permettant au matériau dans son ensemble de se détacher, parfaitement intact.
L’équipe s’est lancée dans la réalisation et a fabriqué plusieurs films ultraminces de PMN-PT, chacun d’une épaisseur d’environ 10 nanomètres. Ils ont décollé les films pyroélectriques et les ont transférés sur une petite puce pour former un réseau de 100 pixels ultraminces de détection de chaleur, chacun d’environ 60 microns carrés (environ 0,006 centimètre carré). Ils ont exposé les films à des variations de température de plus en plus légères et ont constaté que les pixels étaient très sensibles aux petites variations dans le spectre de l’infrarouge lointain.
La sensibilité du réseau pyroélectrique est comparable à celle des dispositifs de vision nocturne les plus modernes. Ces dispositifs sont actuellement basés sur des matériaux photodétecteurs, dans lesquels un changement de température induit un saut d’énergie des électrons du matériau, qui traversent brièvement une « bande interdite », avant de revenir à leur état fondamental. Ce saut d’électrons sert de signal électrique du changement de température. Toutefois, ce signal peut être affecté par le bruit de l’environnement et, pour éviter de tels effets, les photodétecteurs doivent également inclure des dispositifs de refroidissement qui ramènent les instruments à des températures d’azote liquide.
Les lunettes de vision nocturne actuelles sont lourdes et encombrantes. Grâce à la nouvelle approche pyroélectrique du groupe, les lunettes de vision nocturne pourraient avoir la même sensibilité sans le poids du refroidissement.
Les chercheurs ont également constaté que les films étaient sensibles au-delà de la gamme des dispositifs de vision nocturne actuels et qu’ils pouvaient répondre aux longueurs d’onde de l’ensemble du spectre infrarouge. Cela suggère que les films pourraient être incorporés dans de petits dispositifs légers et portables pour diverses applications qui nécessitent différentes régions infrarouges. Par exemple, lorsqu’ils sont intégrés dans des plates-formes de véhicules autonomes, les films pourraient permettre aux voitures de « voir » les piétons et les véhicules dans l’obscurité totale ou dans des conditions de brouillard et de pluie.
Les films pourraient également être utilisés dans des capteurs de gaz pour la surveillance environnementale en temps réel et sur place, afin de détecter les polluants. Dans le domaine de l’électronique, il pourrait surveiller les variations de chaleur dans les puces à semi-conducteurs afin de détecter les premiers signes de dysfonctionnement.
L’équipe affirme que la nouvelle méthode de décollement peut être généralisée à des matériaux qui ne contiennent pas nécessairement de plomb. Dans ce cas, les chercheurs pensent pouvoir infuser des atomes de plomb de type téflon dans le substrat sous-jacent afin d’induire un effet de décollement similaire. Pour l’instant, l’équipe travaille activement à l’intégration des films pyroélectriques dans un système de vision nocturne fonctionnel.
« Nous pensons que nos films ultraminces pourraient être transformés en lunettes de vision nocturne de haute performance, compte tenu de leur sensibilité infrarouge à large spectre à température ambiante, ce qui permet une conception légère sans système de refroidissement », conclut M. Zhang. « Pour en faire un système de vision nocturne, il faut intégrer un réseau de dispositifs fonctionnels avec des circuits de lecture. En outre, des tests dans des conditions environnementales variées sont essentiels pour les applications pratiques. »
Légende illustration : Le film nouvellement développé pourrait permettre la mise au point de dispositifs de détection dans l’infrarouge lointain (IR) plus légers, plus portables et très précis, avec des applications potentielles pour les lunettes de vision nocturne et la conduite autonome dans des conditions brumeuses. Crédit : Adam Glanzman
Article : « Atomic lift-off of epitaxial membranes for cooling-free infrared detection » – DOI : 10.1038/s41586-025-08874-7
